凝膠滲透色譜

凝膠滲透色譜法測定分子量分布原理實驗?zāi)康?掌握GPC測定物質(zhì)分子量及其分布的根本原理和儀器的使用方法。2測定樣品的GPC譜圖，由軟件獲得Mn,Mw,PDI。色譜分類體積排斥色譜SEC(SizeExclusionChromatography〕的開展史1953年Wheaton和Bauman用多孔離子交換樹脂按分子量大小別離了苷、多元醇和其它非離子物質(zhì)，觀察到分子尺寸排除現(xiàn)象。1959年P(guān)orath和Flodin用葡聚糖膠聯(lián)制成凝膠來別離水溶液中不同分子量的樣品。1962年將高交聯(lián)度聚苯乙烯-二乙烯基苯樹脂用作柱填料，以連續(xù)式高靈敏度的示差折光儀，并以體積計量方式作圖，制成了快速且自動化的高聚物分子量及分子量分布的測定儀，從而創(chuàng)立了液相色譜中的凝膠滲透色譜技術(shù)。凝膠色譜的任務(wù)

分子量的分布與高分子材料的所有關(guān)鍵加工特性以及材料性能緊密相關(guān)PlasticsTechnology,May1986聚合物的各種平均分子量

用SEC測得的不同種平均分子量可對應(yīng)于其他儀器所測的值：Mn：用滲析計測出(Osmometry)Mw：用光散射計測出(LightScattering)Mv：用粘度計測出(Viscometry)Mz及Mz+1：用超速離心法測出(Ultracentrifuge)Mw/Mn：為多分散性(Polydispersity)

Mn<Mv<Mw<Mz<Mz+1分子量分布增加分子量PD=Mw/Mn

增加濃度聚合物的分子結(jié)構(gòu)單分散性聚合物窄分布聚合物中等分布聚合物寬分布聚合物Mw/Mn=1.00Mw/Mn<1.20Mw/Mn<2.00Mw/Mn>2.00分子量分布體積排斥色譜〔SEC)工作原理以多孔樹脂為固定相，用溶劑推動分子量大小不同的樣品流過固定相產(chǎn)生大小分子順序流出的別離流出級份的保存時間〔洗脫體積〕提供其分子量〔尺寸〕的信息用檢測器得到各流出組分的強(qiáng)度和流出時間用分子量的標(biāo)樣標(biāo)定出流出時間和分子量的關(guān)系用標(biāo)定好的時間和分子量的關(guān)系對未知樣各流出級份的時間〔分子量〕和強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計計算得到分子量分布色譜儀組成示意圖InOutSR緩沖柱色譜柱溶劑輸送系統(tǒng)在線脫氣放空閥廢液管示差折光檢測器恒溫區(qū)廢液溶劑進(jìn)樣閥柱溫箱預(yù)熱板自動進(jìn)樣器凝膠滲透色譜HLC-8320GPC生產(chǎn)廠商：日本東曹株式會社HLC-8320GPC操作規(guī)程1翻開電腦，點擊EcoSEC-WS工作站，輸入密碼，進(jìn)入采集控制應(yīng)用程序。2開啟儀器電源，點擊工作站控制系統(tǒng)Power按鈕，待聯(lián)機(jī)顯示成功后，設(shè)定流速、溫箱溫度和檢測條件。3設(shè)定WarmUp時的流速和待機(jī)時間，并執(zhí)行該程序。4將待測樣品放入樣品托盤，設(shè)定運行時間、數(shù)據(jù)采集時間、樣品測定序列，執(zhí)行Analysis程序，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和樣品的測定及數(shù)據(jù)處理。5測試完畢后，執(zhí)行ShutDown程序，待控制面板顯示PowerOff后關(guān)閉儀器電源和電腦。凝膠滲透色譜(GPC:Gelpermeationchromatography)主要用于聚合物領(lǐng)域以有機(jī)溶劑為流動相(氯仿，THF，DMF)常用固定相填料：苯乙烯－二乙烯基苯共聚物凝膠過濾色譜(GFC:Gelfiltrationchromatography)主要用于生命科學(xué)領(lǐng)域以水溶液為流動相常用固定相填料：親水性有機(jī)凝膠(葡聚糖，瓊脂糖，聚丙烯酰胺等)SEC分類GPC載體的種類：1.交聯(lián)聚苯乙烯凝膠2.多孔性玻璃3.半硬質(zhì)及軟質(zhì)填料包括聚乙酸乙烯酯凝膠及聚丙烯酰胺凝膠4.木質(zhì)素凝膠等DVB/PSPackingParticle20,000x有機(jī)GPC介質(zhì)懸浮聚合產(chǎn)生苯乙烯基二乙基苯聚合物的單體顆粒開始的小顆粒融合集合成最終的顆粒仔細(xì)控制反響環(huán)境產(chǎn)生出適宜的單體孔和顆粒的尺寸PoreStructureDefinesResolvingRange體積排除別離機(jī)理GPC是如何工作的SEC體積排除色譜〔GPC〕不同于HPLC,沒有化學(xué)作用。SEC體積排除色譜〔GPC〕依靠單純的物理別離原理。

時間順序(A)樣品進(jìn)入(B)尺寸分離(C)大尺寸溶質(zhì)洗提(D)小尺寸溶質(zhì)洗提溶劑流動混合樣品多孔性填料色譜圖（濃度淋洗曲線）(A)(B)(C)(D)進(jìn)樣保留時間示差檢測器凝膠色譜柱的別離參數(shù)色譜柱體積++++++填料顆粒尺寸0++++填料顆粒的孔隙率+0+填料顆粒的形狀000孔的尺寸分布+0+孔的形狀0000=可以忽略的因素+=影響適中的因素++=影響很大的因素

凝膠柱的別離按照尺寸進(jìn)行峰的別離峰加寬分辨率和準(zhǔn)確率色譜柱填料:色譜柱對GPC/SEC

色譜別離的影響分子量MW

vs.淋洗體積淋洗體積(mL)Log(分子量MW)

10.0

15.0

20.0

25.0

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00全部滲入排斥極限GPC/SEC體積排斥色譜排阻極限 ----不能進(jìn)入凝膠顆?？籽▋?nèi)部的最小分子的分子量。所有大于排阻極限的分子都不能進(jìn)入凝膠顆粒內(nèi)部，直接從凝膠顆粒外流出，所以它們同時被最先洗脫出來。排阻極限代表一種凝膠能有效別離的最大分子量，大于這種凝膠的排阻極限的分子用這種凝膠不能得到別離。隨固定相不同，排阻極限范圍約在400至60×106之間。滲透極限 ----能夠完全進(jìn)入凝膠顆?？籽▋?nèi)部的最大分子的分子量。在選擇固定相時，應(yīng)使欲別離樣品粒子的相對分子質(zhì)量落在固定相的滲透極限和排阻極限之間。為GPC加熱的理由使GPC檢測處在一個溫度穩(wěn)定的環(huán)境降低流動相黏度，使得譜柱內(nèi)部溶劑處于接近理想的GPC狀態(tài)〔如Polyethylene–Terphthalatem-Cresol+0.05mLiBr/100°C〕盡量減輕分子間的弱相互作用〔樣品分子間、樣品和溶劑分子間、填料和樣品分子間等〕使難于溶解的樣品得以溶解〔如聚烯烴PE\PP、工程塑料PPS等〕溶劑特性溶劑（中文）溶劑（英文）極性黏度（cP）沸點（℃）己烷Hexane7.30.3386環(huán)己胺Cyclohexane8.2181甲苯Toluene8.90.59110乙酸乙酯Ethylacetate9.10.4577四氫呋喃Eetrahydrofuran9.10.5566氯仿Chloroform9.30.5761甲乙酮Methylethylketone9.30.480二氯甲烷Dichloromethane9.70.3940二氯乙烷Dichloroethane9.80.7983丙酮Acetone9.90.3256二氯苯Dichlorobenzene101.26180三氯苯Trichlorobenzene101.89213間甲苯酚m-Cresol10.216.9202臨氯酚o-Chlorophenol10.24.11175二甲基乙酰胺Dimethylacetamide10.80.77166氮甲基吡咯烷酮n-Methylpyrrolidone11.31.65202二甲基亞砜Dimethylsulphoxide121.1189二甲基甲酰胺Dimethylformamide12.10.9153六氟乙丙醇Hexafluroisopropanol12.21.0258PolyisobutylenePolybutyleneChlorinatedRubberPolybutadienePolyisoprenePolydimethylsiloxaneChlorinatedPolyethylenePolyethylene–EthylacrylatePolyethylene–VinylacetonePolyethylene–MethacrylicacidPolyphenyleneoxidePoly-4-methylpentene(1)PolyethyleneUltra-highMolecularWeightPolyethylenePolypropylenePolyetheretherketonePolyetherketoneTolueneToluene/75%TCB/135-160°CTCB/135-160°CPhenol/TCB1:1/145°C各種樣品所對應(yīng)的溶劑條件各種樣品所對應(yīng)的溶劑條件Melamine–FormaldehydeNylon(Alltypes)Polybutylene–Terphthalate(PBT)Polyethylene–Terphthalate(PET)PolyAcrylonitrile(聚丙烯睛)ABS(Acrylonitrile–Butadiene–Styrene)ASA(Acrylic–Styrene–AcrylonitrileABA(Acrylonitrile–Butdiene–Acrylate)CarboxymethylCelluloseABS/PolycarbonatePolybutadiene–AcrylonitrilePolyurethanePolyacetalPolyoxymethylenePolyimidePolyamide–imidePolyetherimidePolyethersulfonePolyvinyldienefluoridePolyfuran–FormaldehydeHexafluoroisopropanol+0.075MSodiumTrifluoroacetate/55°Corm-Cresol+0.05mLiBr/100°CDMF+0.05mLiBr/85°CDMF+0.05mLiBr/145°CN-MethylPyrrolidone+0.05mLiBr/100°CDimethylacetamide/60°CPolycarbonatePolyglycolicacidAcrylonitrile–MethylmethacrylateCelluloseAcetateCelluloseAcetate–ButyrateCelluloseAcetate–ProprionateCelluloseNitrateCelluloseProprionateCelluloseTriacetateDiallylPhthalateEthylCelluloseEpoxyPolyesterAlkydPolybutene(1)Polybutadiene–StyrenePhenol–FormaldehydePhenol–FurfuralPolymethylmethacrylatePolypropyleneglycolPolystyrenePolysulfonePolyvinylacetatePolyvinylbutyralPolyvinylchloridePolyvinylchloride–AcetatePolyvinyldienechloridePolyvinylformalPolystyreneAcrylonitrilePolystyrene–AlphamethylstyrenePolyesterThermosetPhenolicsRosinAcidsPolyglycolicAcidMethylChloridegamma-ButylLactoneTHF/40°C參數(shù)溶質(zhì)構(gòu)造+++++溶劑流速0++++溶劑粘度0++溫度0++0=可以忽略的因素+=影響適中的因素++=影響很大的因素峰的別離峰加寬分辨率和準(zhǔn)確率影響GPC/SEC色譜別離

操作參數(shù)的因素摘要4凝膠滲透色譜的特點實驗所需時間可以預(yù)知整個洗脫過程用恒定比例的淋洗液，不能用梯度洗脫一般情況下試樣能溶解就能測定，減少了用于摸索實驗條件所需的時間組分的保存時間提供其分子尺寸的信息以時間順序流出的級份進(jìn)行分級收集就得到了目標(biāo)分子量的樣品可以進(jìn)一步分析〔GPCcleanup〕Temp.(DegC)18.519.019.520.0MV-1.000.001.002.00Minutes51015202530354045505560657075實驗室溫度波動對RI檢測器基線的影響MobilPhase–Methanol@0.25/mLminuteDetectorTemp35CNoColumnHeaterUsedRoomTemperatureRIBaseline別離式系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性的解決方案

與色譜追求的別離度相矛盾〔柱外擴(kuò)散〕多檢測器集成的GPC系統(tǒng)紫外檢測器〔濃度型〕粘度檢測器〔分子量型〕多角激光光散射檢測器〔分子量型〕紅外接口〔特征基團(tuán)型為測量短鏈支化〕影響凝膠滲透色譜數(shù)據(jù)的因素輸液系統(tǒng)樣品制備進(jìn)樣系統(tǒng)柱溫變化色譜柱性能檢測器流動相標(biāo)樣類型的選擇和分子量范圍的選定溶劑輸送系統(tǒng)高流速精度是獲得重現(xiàn)性GPC結(jié)果的根底微小的流速誤差會導(dǎo)致分子量計算的很大誤差使用參考峰(FlowMarkers)的技術(shù)可校正流速誤差固態(tài)(半結(jié)晶)液態(tài)(稀溶液)樣品制備的影響溶劑必須聚合物鏈翻開成最放松的狀態(tài)允許充分的時間讓鏈展開有些聚合物需要大于3小時分子量及結(jié)晶度愈大，所需真正溶解的時間就越多某些結(jié)晶的聚合物需要加熱除非該樣品可能會有剪切效應(yīng)發(fā)生，聚合物溶液必須過濾為了增加樣品的溶解，可輕微擾動〔不要劇烈搖動或用超聲〕窄分布標(biāo)樣不必過濾，高分子量標(biāo)樣也不要劇烈搖動可使用在線過濾器，但是不推薦使用保護(hù)柱由于凝膠色譜中濃度檢測通常使用示差折光檢測器，其靈敏度不太高，所以試樣的濃度不能配置得太稀。但另一方面色譜柱的負(fù)荷量是有限的，濃度太大易發(fā)生“超載〞現(xiàn)象。一般情況下，進(jìn)樣濃度按分子質(zhì)量大小的不同在0.05～0.5%〔質(zhì)量分?jǐn)?shù)〕范圍內(nèi)配置。分子質(zhì)量越大，溶液濃度越低。標(biāo)樣配制應(yīng)該嚴(yán)格按照標(biāo)樣說明書進(jìn)行。通常室溫靜置12小時以上，然后輕輕混勻。絕對不能超聲或者劇烈振蕩來加速溶解。溶液進(jìn)樣前應(yīng)先經(jīng)過過濾，以防止固體顆粒進(jìn)入色譜柱內(nèi)，引起柱內(nèi)堵塞，損壞色譜柱。40瓶位樣品盤2ml玻璃瓶卷邊壓緊鋁瓶蓋優(yōu)先進(jìn)樣的樣品緩慢攪拌雙溫區(qū)設(shè)計是降解風(fēng)險降至最低

進(jìn)樣點熱區(qū)溫區(qū)50100200溫度(C)-20-1001020瓶位CarouselMotion進(jìn)樣點Agitated自動進(jìn)樣器在柱溫箱中平衡的進(jìn)樣瓶可編程ExcesssolutionreturnedtovialInjectionprecisionRSD<1%withnocrosscontaminationNewMultipleInjectioncapabilityupto3injectionspervial……..柱溫箱進(jìn)樣閥

MIXEDbedcolumnsgiveextendedrangeoverindividualporesizeManufacturedtogivenodiscontinuities

CombineindividualporesizecolumnstoextendrangeCancausepeakshapevariationduetomismatchinporevolume

色譜柱對數(shù)據(jù)的影響

GPC色譜柱選擇按照樣品所溶解的溶劑來選擇柱子所屬系列----溶劑一般為THF、氯仿、DMF等，必須選擇適宜的溶劑來溶解聚合物。按照樣品分子量范圍來選擇柱子型號----樣品分子量應(yīng)該處在排阻極限和滲透極限范圍內(nèi)，并且最好是處在校正曲線線性范圍內(nèi)柱效率N和別離度R----色譜柱的效率可借用“理論塔板數(shù)〞N進(jìn)行描述。兩個樣品到達(dá)完全別離，R應(yīng)等于或大于1，如果R小于1，那么別離是不完全的。聚苯乙烯(PS，溶于各種有機(jī)溶劑)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚環(huán)氧乙烷(PEO，也叫聚氧化乙烯，溶于水)聚乙二醇(PEG，溶于水) (PEO與PEG的碳鏈骨架相同，但是其合成原料和封端不同，由于原料的性質(zhì)，使其產(chǎn)物的分子量和結(jié)構(gòu)都有一定的區(qū)別。PEO常是指一端為甲基封端，一端為羥基封端的聚環(huán)氧乙烷，而PEG一般是兩端都是羥基封端的聚乙二醇。)

標(biāo)樣樣品分子量應(yīng)該處在標(biāo)樣分子量范圍以內(nèi)。分子量校準(zhǔn)曲線凝膠滲透色譜的開展多檢測器的應(yīng)用快速GPC技術(shù)微流量GPC技術(shù)新型色譜柱技術(shù)多檢測器的比較配置方法分子量支化回轉(zhuǎn)半徑傳統(tǒng)GPC相對于標(biāo)樣的色譜柱校正，得到相對分子量不能不能使用普適校正的傳統(tǒng)GPC需從文獻(xiàn)上得到準(zhǔn)確的K/a值，對相對分子量進(jìn)行的色譜柱普適校正得到絕對分子量不能不能配了黏度檢測器的GPC測出特性黏數(shù)，得到K/a值的普適校正能，直接從特性黏數(shù)測出能，但是間接得到配了多角激光檢測器的GPC絕對測出，無需色譜柱校正能，但要符合一些假設(shè)能，當(dāng)有兩個測量角以上三檢測器聯(lián)用的GPC準(zhǔn)確結(jié)果能能用多檢測器GPC技術(shù)探究poly(n-butylmethacrylate)的支化結(jié)構(gòu)

TheMWDsindicatethesamplestobeextremelyheterogeneousandgavemulti-modaldistributions.

TheMark-Houwinkplotsshowthatalthoughtwoofthesamples(greytraces)weresimilarinstructure,thethird(blacktrace)gavelowervaluesofintrinsicviscosityatanygivenmolecularweight,indicativeofthemoredensepolymerstructurewhichaccompaniesanincreaseinthelevelofpolymerbranching.聚合物色譜中的檢測器濃度響應(yīng)值正比于濃度C實例：示差(refractometer)檢測器

N=(dn/dc)C紫外檢測器蒸發(fā)光散射檢測器使用單一濃度型檢測器的體積排除別離模式色譜被稱作傳統(tǒng)GPC濃度示差，紫外，蒸發(fā)光散射(ELSD)，…分子量敏感

粘度，光散射組成

多波長紫外，示差+紫外，質(zhì)譜(MS)，付里葉變換紅外(FTIR)，…

“絕對〞分子量分布的測定RI/V檢測器結(jié)合使用VI的響應(yīng)值正比于C

H/M=C[]H，大分子的尺寸；流體力學(xué)體積[]=VI/RI，特征粘度(intrinsicviscosity)

普適校正的假設(shè)：具有同樣大小(H)的大分子應(yīng)有同樣的洗脫體積，即依賴性在給定的流動相、色譜柱組及溫度下，H=H(V)是通用的LogH246810ElutionvolumeV,mL16182022242628RI/V檢測器結(jié)合使用，第一步：用任何窄分布標(biāo)樣(化學(xué)結(jié)構(gòu)不重要)建立普適校正曲線[]

ST=VI/RI foreachstandardH=MST

[]ST foreachstandardPolynomialfittoLogHuniversalcalibrationcurve“絕對〞分子量分布的測定RI/V檢測器結(jié)合使用第二步：用聚合物分布每一切片“i〞計算“絕對〞分子量[]i=VIi/RiiMi=Hi/[]i1683Run11683Run21683Run31683Run41683Run51683Run11683Run21683Run31683Run41683Ru